建筑上光伏發電系統的設計與應用

劉 瓊,李世民

（甘肅自然能源研究所，甘肅 蘭州 730000）

光伏發電系統是利用太陽能發電的一種新能源技術。目前光伏市場發展重點逐漸從沙漠等人煙稀少的地區轉向城市人口密集地區。因為城市經濟發達，電力需求量大，發展光伏發電有著非常有利的市場空間。在城市中光伏系統的最佳安裝方式是安裝在建筑上，既不用占用額外的地面空間，另一方面可以彌補城市用電的缺口，并且建筑安裝了光伏系統后還可以達到節能環保的目的[1，2]。

1 光伏系統應用于建筑兩種形式

光伏系統應用于建筑可以分為兩種形式：第一種是充分利用建筑屋頂或外圍護結構表面，將光伏發電陣列安裝在建筑屋頂或外圍護結構上，也就是將光伏系統與建筑相結合。這種方式更適用于既有建筑，并且建筑物可以起到支承系統的作用。第二類是光伏系統與建筑的集成。光伏系統成為建筑材料或構件，光伏系統本身就是建筑的一部分，被稱為光伏建筑一體化（BIPV）。本文主要討論的是第一種應用形式，在既有建筑上安裝光伏系統，這種方案不僅可以充分利用現有建筑的屋頂或南墻等表面建設更多光伏發電系統，而且對于提升現有建筑的整體節能性能有積極的意義[3，5]。

2 屋頂光伏系統

將光伏發電陣列安裝在陽光充沛的建筑屋頂是目前最常見的方案之一，通常，我國的建筑屋頂主要有坡屋面，平屋面以及彩鋼等輕質屋頂形式，在安裝光伏發電陣列時都具有各自的特點。

2.1 坡屋頂光伏陣列

我國采用坡屋頂的建筑很多，大部分坡屋頂上采用機瓦或琉璃瓦做防雨覆蓋，由于原建筑朝向和遮擋等原因，在光伏發電站選址時應優先選擇朝向正南且無陽光遮擋的屋面，坡屋面的坡度也應盡量接近當地地理緯度或光伏最佳傾角。通常在建筑坡屋頂上安裝光伏陣列均采用在屋頂瓦面下安裝金屬支腳，然后在支腳上安裝支架并將光伏組件平鋪在支架上的方式。坡屋頂上安裝光伏發電站是一個很好的方案，建筑一體化效果明顯，對原建筑的影響非常小。

需要說明的是：坡屋面上安裝光伏發電，往往受到原建筑的朝向，坡屋面的坡度等因素制約，很難完全滿足光伏發電設計中的最佳傾角和朝向的要求。在實際應用中，也應適當放寬要求，不能求全或過于死搬硬套。

不僅大部分坡屋頂、平屋頂民用建筑可以用以建造光伏發電站，實際上我國大部分工廠企業和商場都廣泛采用彩鋼瓦、玻璃鋼瓦等輕質屋頂，充分利用這些屋頂安裝光伏發電站，其市場空間更是不言而喻的。

2.2 平屋頂光伏陣列

平屋頂上安裝光伏和地面上安裝光伏基本相似，通常是采用混凝土基礎和鋼支架的方案。不同于地面安裝光伏的是：平屋頂安裝光伏系統應采用混凝土樁，與地面光伏不同的是屋頂光伏如果無法與原建筑屋頂混凝土鋼筋直接連接的時候，應根據當地風力情況采用混凝土重樁放置在屋頂上，通常每個獨立裝的重量不宜超過100kg。對于經常受到臺風襲擾的沿海地區，建議采用條形混凝土樁，不僅能確保光伏陣列系統的抗風能力，而且可以減少對建筑屋頂的壓力。連接支架的鋼螺栓必須與混凝土澆筑一體，不能用膨脹螺栓代替混凝土基礎與支架間的連接。特別要說明的是：絕對不能在平屋頂屋面上直接打孔或安裝膨脹螺栓，以免破壞原建筑屋頂的防水結構[6]。

對于建筑屋頂承重能力差、不能直接采用混凝土重樁的情況，可采用不銹鋼繩牽拉固定。需要說明的是牽拉支架的不銹鋼繩不能直接打膨脹螺絲固定在屋頂上，通常是固定在建筑外墻或其他相對穩定堅固的地方。

3 屋頂光伏系統的降溫作用

在屋頂上安裝光伏發電不僅可以利用屋頂來發電，而且還能有效遮擋陽光直接暴曬屋頂，為建筑屋頂降溫，起到建筑空調降溫的作用[7，8]。

一般來說，普通建筑或高層建筑頂樓的由于屋頂受到陽光直射，表面溫度往往很高，導致居住舒適度大大下降，大大增大了室內降溫的能耗。為了解決這個問題，通常的辦法是在新建建筑時增加屋頂的保溫性能，降低建筑屋頂傳熱，采用增加空氣隔層或采用鋁膜復合油氈鋪設屋面，形成屋面反射能力等方法。但如果屋頂安裝了光伏系統后，光伏組件可以部分覆蓋或者完全覆蓋屋面，起到遮擋的作用。下面是兩個示意圖，分別展示了斜坡屋頂和平屋頂安裝了光伏組件的降溫作用如圖1、2 所示。

圖1 斜坡屋頂光伏陣列的降溫作用示意圖

圖1 展示的是一個斜坡屋頂安裝光伏電站組件后的情況，光伏組件可以完全覆蓋原屋面，不僅對原瓦屋面起到了保護作用，而且由于有了光伏組件的覆蓋，陽光被光伏組件遮擋并轉換成電和熱，盡管組件溫度比較高，但是光伏組件和原屋面有10～15cm 的通風空間，大量的熱空氣都可以散發到大氣環境中，使得安裝光伏組件后的屋面溫度比直接暴曬在陽光下的屋面大大降低。同時也降低了室內的溫度。

圖2 是安裝在平屋頂建筑上的光伏陣列示意圖。由于光伏陣列的安裝，遮擋了大部分陽光直接暴曬，不僅大大降低了屋頂溫度和室內溫度，還可以延長屋頂覆蓋防雨材料使用壽命。實踐證明，在屋頂上安裝太陽能光伏陣列，除了能充分利用屋頂陽光發電外，還可以有效降低室內溫度，減少空調負荷10%～20%。

圖2 平屋頂建筑上的光伏陣列降溫作用示意圖

4 建筑屋頂安裝光伏的施工中其他應注意事項

在屋頂上安裝光伏發電的過程中要注意既有建筑的特點，也要注意施工安全，在具體施工過程中可能要注意以下幾個方面：

（1）斜坡屋頂或彩鋼屋頂上安裝光伏，要注意將支架與建筑屋頂梁架或構建與屋面的可靠、牢固連接，要注意支架連接件的防銹問題。

（2）在斜坡屋頂或彩鋼屋頂上施工時若遇到必須要打孔固定的情況，打孔后必須要做好防水密封措施。

（3）光伏組件搬運到屋頂時，不要在屋頂堆放，應均勻平鋪在屋頂施工現場，以免屋頂局部重量過載，壓垮建筑屋頂。

（4）屋頂光伏電站的陣列支架要做好防雷接地，如果原建筑已有屋頂防雷接地系統，要將光伏支架接地端與原建筑屋頂防雷接地引出線可靠并接。

（5）屋頂施工要注意高空施工安全，特別要注意不要在雷雨天進行屋頂施工。

5 建筑南墻光伏系統

除了在建筑屋頂上安裝光伏系統，還可以在建筑南墻外安裝光伏系統，選擇南墻的原因主要是城市中更多的都是高層建筑，屋頂面積相對小，充分利用建筑南墻安裝太陽能光伏發電有著廣泛的市場潛力。

5.1 建筑南墻直接安裝光伏

把光伏組件直接安裝到建筑外墻面上，既能起到建筑裝飾作用也可以起到發電的作用。從追求發電的角度講，這種設計適合于應用在高緯度地區，表1 展示了用PVSYST 軟件分析我國不同緯度地區的太陽能輻射資源的數據，特別要注意的是對于垂直的南墻面，緯度越高的地區南墻面與最佳傾角輻射的比值越大，也就是緯度高的地區比較適合在垂直面安裝光伏。譬如：如果在廣州地區的建筑南墻面上安裝光伏的話，其發電量只有最佳傾角面上發電量的55%左右，而如果在沈陽、長春等高緯度地區的建筑南墻面上安裝光伏的話，其發電量可達最佳傾角面上發電量的70%以上。

表1 我國不同緯度地區的最佳傾角和垂直面太陽能輻射

5.2 建筑南墻做斜撐支架安裝光伏

在建筑南墻面的窗戶上沿做斜撐支架安裝光伏是另外一種設計，這種設計可以應用到各種建筑上而不受地理緯度的限制。由于光伏組件相對比較輕（連支架和組件，每平方米不到20kg），安全性好，外掛在外墻面上還可以起到遮陽，遮雨的作用，不僅可以安裝在普通建筑上，在高層建筑上也是有用武之地的。它的傾角完全可以按照最佳傾角或者按照用戶的要求設計，其發電效果甚至高于屋頂安裝的光伏系統（因為有建筑墻體的反射陽光）如圖3 所示。

圖3 在建筑外墻上直接安裝光伏組件和在建筑南墻做斜撐支架安裝光伏

6 結語與展望

光伏和建筑結合因為光伏市場的繁榮和龐大的建筑市場，必將存在著無限廣闊的發展前景。在具體的設計和施工要充分考慮建筑特點、當地的太陽能資源情況、安全因素。隨著新能源的蓬勃發展，設計和建設綠色、節能環保的建筑將逐漸成為建筑市場的主流。